一种低电压自适应光通信激光驱动器电路

摘要

本发明是一种低电压自适应光通信激光驱动器电路，包括：依次连接的差分调制电流放大器A1、差分电压跟随器A2、差分调制电流驱动器A3，其中，差分调制电流放大器A1用于放大输入调制电流信号Din，并与后级的阻抗及电平相匹配；差分电压跟随器A2用于放大差分调制电流放大器A1处理后的输入调制电流信号，并与后级的阻抗及电平相匹配；差分调制电流驱动器A3用于输出调制电流信号Dout，调制电流信号Dout用于驱动激光二级管；调制电流控制电路M1用于调整差分调制电流放大器A1的调制电流。本发明所述激光驱动器电路，能够在很低的电源电压供电条件下工作；提高了驱动电路的工作速率；可自主调节推动级的驱动电流的大小。

权利要求

1.一种低电压自适应光通信激光驱动器电路，其特征在于包括：依次连接的差分调制电流放大器A1、差分电压跟随器A2、差分调制电流驱动器A3，其中，差分调制电流放大器A1用于放大输入调制电流信号Din，并与差分电压跟随器A2的阻抗及电平相匹配；

差分电压跟随器A2用于放大差分调制电流放大器A1处理后的输入调制电流信号，并与差分调制电流驱动器A3的阻抗及电平相匹配；

差分调制电流驱动器A3用于输出调制电流信号Dout，调制电流信号Dout用于驱动激光二极管；

调制电流控制电路M1用于控制差分调制电流放大器A1的调制电流；

所述差分调制电流放大器A1包括晶体管Q1，Q2，Q7，Q8，Q11，电阻R1-R5；所述差分电压跟随器A2包括晶体管Q3，Q4，Q9，Q10；所述差分调制电流驱动器A3包括晶体管Q5，Q6；

调制电流控制电路M1为一个晶体管；

调制信号输入端Din与相等的差分对管Q1和Q2的基极相连；Q1和Q2的发射极与晶体管Q8的集电极相连；Q1和Q2的集电极分别与相等的电阻R4和R5的一端以及相等的晶体管Q4和Q3的基极相连；

电阻R4和R5的另一端分别与相等的电阻R2和R3相连；电阻R2和R3的另一端与电阻R1的一端以及晶体管M1的漏极相连；

晶体管M1的源极接电源VDD，栅极接调制电流控制信号输入Ctrl；

晶体管Q7-Q10的基极都连在一起，并与Q7的集电极以及Q11的发射极相连；

晶体管Q11的集电极和基极均与电阻R1的另一端相连；

相等的晶体管Q9和Q10的集电极分别与晶体管Q3和Q4的发射极以及相等的晶体管Q5和Q6的基极相连； 晶体管Q3和Q4的集电极接电源VDD；

晶体管Q5和Q6的集电极作为调制电流的差分输出信号，分别与电阻R6、激光二极管D1的负极相连；电阻R6的另一端与电源VDD和激光二极管D1的正极连接；

晶体管Q5-Q10的发射极接地VSS。

2.如权利要求1所述的低电压自适应光通信激光驱动器电路，其特征在于：设晶体管Q7和Q8的发射极面积分别为S7和S8，则电阻R1-R3及晶体管Q7和Q8的发射极面积S7和S8的取值满足以下比例关系：R1/S7＝S8/R2，

电阻R4及R5的取值范围在电阻R2的1/2到1/10之间。

说明书

一种低电压自适应光通信激光驱动器电路

技术领域

[0001] 本发明涉及激光通信领域的激光器调制电流输出驱动电路，具体说是一种低电压自适应光通信激光驱动器电路。

背景技术

[0002] 激光驱动器作为光通信系统不可缺少的组成部分，广泛地应用于同步数字复接、高速以太网、光纤到户等各个方面，并成为众多国内外众多学者的研究领域。

[0003] 光通信系统对激光驱动器有多项要求，主要包括输入信号幅度、输出上升/下降时间、激光功率控制、偏置电流和调制电流控制、温度补偿、失效监控等多个方面。

[0004] 现有的用于光通信的激光驱动器典型调制电流驱动电路如图1所示。晶体管Q5和Q6构成第一级限幅差分放大器。这样，只要输入信号的幅度在设计的范围之内，在电阻R4和R5上将得到固定幅度的调制信号。由晶体管Q3和Q4构成的射级跟随器起到直流电平位移的作用，以匹配下一级电路的共模输入电平的要求。晶体管Q7和Q8构成的第二级限幅差分放大器主要用于信号整形，同时驱动由晶体管Q9和Q10构成的射级跟随器。晶体管Q1和Q2构成差分功率输出级，驱动激光器(Laser)。晶体管M1-M7为各级放大电路提供偏置，其中，改变M1的栅级电压可以控制激光器调制电流的大小。

[0005] 然而图1所示的典型电路在高速和低电压供电的场合会有不够适用的地方。一方面，由晶体管Q3和Q4构成的射级跟随器在高频率的场合会呈现出电感的特性，很大程度上降低了其高频传输特性。另一方面，晶体管M1和Q1及Q2串联后再驱动激光二极管，使得电源供电电压不能太低，至少得保证两个晶体管加上激光二极管，这三个器件串联后的供电工作区间。故当出现低电源供电电压应用时，激光驱动器无法正常工作。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低电压自适应光通信激光驱动器电路，以解决低电源供电电压应用时，激光驱动器无法正常工作的问题。

[0007] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

[0008] 一种低电压自适应光通信激光驱动器电路，其特征在于包括：

[0009] 依次连接的差分调制电流放大器A1、差分电压跟随器A2、差分调制电流驱动器A3，其中，

[0010] 差分调制电流放大器A1用于放大输入调制电流信号Din，并与差分电压跟随器A2的阻抗及电平相匹配；

[0011] 差分电压跟随器A2用于放大差分调制电流放大器A1处理后的输入调制电流信号，并与差分调制电流驱动器A3的阻抗及电平相匹配；

[0012] 差分调制电流驱动器A3用于输出调制电流信号Dout，调制电流信号Dout用于驱动激光二级管；

[0013] 调制电流控制电路M1用于控制差分调制电流放大器A1的调制电流。

[0014] 在上述技术方案的基础上，所述差分调制电流放大器A1包括晶体管Q1，Q2，Q7，Q8，Q11，电阻R1-R5；所述差分电压跟随器A2包括晶体管Q3，Q4，Q9，Q10；所述差分调制电流驱动器A3包括晶体管Q5，Q6；调制电流控制电路M1为一个晶体管。

[0015] 在上述技术方案的基础上，调制信号输入端Din与相等的差分对管Q1和Q2的基极相连；Q1和Q2的发射级与晶体管Q8的集电极相连；Q1和Q2的集电极分别与相等的电阻R4和R5的一端以及相等的晶体管Q4和Q3的基极相连；

[0016] 电阻R4和R5的另一端分别与相等的电阻R2和R3相连；电阻R2和R3的另一端与电阻R1的一端以及晶体管M1的漏级相连；

[0017] 晶体管M1的源级接电源VDD，栅极接调制电流控制信号输入Ctrl；

[0018] 晶体管Q7-Q10的基极都连在一起，并与Q7的集电极以及Q11的发射极相连；

[0019] 晶体管Q11的集电极和基极均与电阻R1的另一端相连；

[0020] 相等的晶体管Q9和Q10的集电极分别与晶体管Q3和Q4的发射极以及相等的晶体管Q5和Q6的基极相连；

[0021] 晶体管Q3和Q4的集电极接电源VDD；

[0022] 晶体管Q5和Q6的集电极作为调制电流的差分输出信号，分别与电阻R6、激光二极管D1的负极相连；电阻R6的另一端与电源VDD和激光二极管D1的正极连接；

[0023] 晶体管Q5-Q10的发射极接地VSS。

[0024] 在上述技术方案的基础上，设晶体管Q7和Q8的发射级面积分别为S7和S8，则电阻R1-R3及晶体管Q7和Q8的发射级面积S7和S8的取值满足以下比例关系：

[0025] R1/S7＝S8/R2，

[0026] 电阻R4及R5的取值范围在电阻R2的1/2到1/10之间。

[0027] 本发明所述的低电压自适应光通信激光驱动器电路，具有以下优点：

[0028] 1、能够在很低的电源电压供电条件下工作，工作电压只需要满足单个驱动晶体管和激光二极管串联后的电压工作区间。

[0029] 2、能够回避典型调制电流驱动电路的电感特性的影响，提高驱动电路的工作速率。

[0030] 3、能够根据要求输出电流的不同，自主调节推动级的驱动电流的大小，以起到降低总体功耗的效果。

附图说明

[0031] 本发明有如下附图：

[0032] 图1用于光通信的激光驱动器典型调制电流驱动电路；

[0033] 图2本发明的系统框图；

[0034] 图3本发明的具体实现方式；

[0035] 图4本发明的电路仿真结果。

具体实施方式

[0036] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0037] 本发明提供了一种低电压自适应光通信激光驱动器调制电流输出电路，可用于在低供电电压工作条件下的高速调制电流输出，以驱动光通信激光器/激光二极管。图2是本发明的系统框图，它包含：

[0038] 一个差分调制电流放大器A1，用于放大输入调制电流信号Din，并与后级(差分电压跟随器A2)的阻抗及电平相匹配；

[0039] 一个差分电压跟随器A2，作为差分调制电流放大器A1的后级，用于放大差分调制电流放大器A1处理后的输入调制电流信号，并与后级(差分调制电流驱动器A3)的阻抗及电平相匹配；

[0040] 一个差分调制电流驱动器A3，作为差分电压跟随器A2的后级，用于输出调制电流信号Dout，调制电流信号Dout用于驱动激光二级管；

[0041] 一个调制电流控制电路M1，调制电流控制电路M1用于控制差分调制电流放大器A1的调制电流的大小；

[0042] 差分调制电流放大器A1、差分电压跟随器A2、差分调制电流驱动器A3依次连接。

[0043] 图3是本发明的一个具体实施电路图。其中，晶体管Q1，Q2，Q7，Q8，Q11，电阻R1-R5组成差分调制电流放大器A1；晶体管Q3，Q4，Q9，Q10组成差分电压跟随器A2；晶体管Q5和Q6组成差分调制电流驱动器A3；调制电流控制电路M1为一个晶体管。所有的晶体管及电阻采用集成器件，其具体连接关系是：

[0044] 调制信号输入端Din与相等的差分对管Q1和Q2的基极相连；Q1和Q2的发射级与晶体管Q8的集电极相连；Q1和Q2的集电极分别与相等的电阻R4和R5的一端以及相等的晶体管Q4和Q3的基极相连；

[0045] 电阻R4和R5的另一端分别与相等的电阻R2和R3相连；电阻R2和R3的另一端与电阻R1的一端以及晶体管M1的漏级相连；

[0046] 晶体管M1的源级接电源VDD，栅极接调制电流控制信号输入Ctrl；

[0047] Q7-Q10的基极都连在一起，并与Q7的集电极以及Q11的发射极相连；

[0048] 晶体管Q11的集电极和基极均与电阻R1的另一端相连；

[0049] 相等的晶体管Q9和Q10的集电极分别与晶体管Q3和Q4的发射极以及相等的晶体管Q5和Q6的基极相连；

[0050] 晶体管Q3和Q4的集电极接电源VDD；

[0051] 晶体管Q5和Q6的集电极作为调制电流的差分输出信号，分别与电阻R6、激光二极管D1的负极相连；电阻R6的另一端与电源VDD和激光二极管D1的正极连接；

[0052] 晶体管Q5-Q10的发射极接地VSS。

[0053] 上述晶体管Q1-Q11采用的型号可以是LN232，电阻R1-R5采用的型号可以是rnp3t-b，晶体管M1采用的型号可以是pfets。

[0054] 在上述技术方案的基础上，设晶体管Q7和Q8的发射级面积分别为S7和S8，则电阻R1-R3及晶体管Q7和Q8的发射级面积S7和S8的取值满足以下比例关系：

[0055] R1/S7＝S8/R2，

[0056] 电阻R4及R5的取值范围在电阻R2的1/2到1/10之间。例如，可以取R1＝10KΩ，2 2
S7＝2um，则R2可以取1KΩ，S8可以取20um，R4及R5的可以取500Ω。

[0057] 如图3所示，调制信号由输入端Din加载到调制电流放大器A1中差分输入管Q1和Q2的基极，限幅放大后的调制信号通过Q3和Q4传递到输出管Q5和Q6的基极。调制电流由Q5和Q6的集电极输出。输出调制电流的大小由调制电流控制信号输入Ctrl来控制，通过调整调制电流控制信号输入Ctrl电压的高低，可以调整晶体管M1的漏极的电压，从而改变包括Q1和Q2的差分调制电流放大器A1的供电电压，引起通过Q3和Q4传递到Q5和Q6的基极的信号的大小，最终改变Q5和Q6输出的调制电流。

[0058] 由于M1的漏极的电位越高，流过R1，Q11和Q7的电流会越大，引起作为尾电流源的电流镜Q8-Q10的电流增加，整个输出推动电路的功耗增加，输出的调制电流也增加；M1的漏极的电位越低，则相反。因而这个是一个自适应的驱动电路，能够随着输出电流的大小来调整自身的功耗，起到降低整体功耗的效果。

[0059] 为了保证输出的调制电流信号有足够的速度，输出晶体管Q5和Q6的工作区应当是从临界开启状态到放大区之间，因而基极电位不能低到使晶体管Q5和Q6进入截至区。为了满足这个要求，电阻R1-R3及晶体管Q7和Q8的取值需按以下规则：设晶体管Q7和Q8的发射级面积分别为S7和S8，则电阻R1-R3及晶体管Q7和Q8的发射级面积S7和S8的取值满足R1/S7＝S8/R2。这样无论调制电流控制信号Ctrl变化而引起M1的漏极点位如何变化变化，若Q1工作于开关导通状态时，Q11的集电极点位与R2的下端点位总是相等，也就是等于Q7和Q11的b-e结电压之和。因而晶体管Q6基极点位就近似等于Q7的b-e结电压与R4的压降之差。仔细选取R4的值，可以使无论Ctrl端的控制电压如何取值，Q7的基极电位都略低于Q7的开启电压，使Q7处于临界导通状态，保证输出的零电平足够低，从而保证激光器输出的消光比。

[0060] 参考图4是本发明电路工作于1.8V低电压下的仿真结果。可见在当调制电流输出达到约50mA时，上升/下降时间都在90ps以内，并且调制电流的零点不超过1mA，保证了消光比的要求。